《模拟集成电路设计》教学大纲

12/12《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/DesignofAnalogintegratedCircuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。Thiscourseisacompulsorycourseforthestudentsmajoringinmicroelectronicsandoneofthecorecoursesinthefieldofintegratedcircuit(IC)design.Thiscoursemainlyintroducestheoperatingprinciples,designmethodsandprocess,simulationmethodsoftypicalanalogCMOSintegratedcircuits,aswellasthelatestdevelopmenttrendsofanalogCMOSintegratedcircuits.

Throughthestudyofthiscourse,asolidtheoreticalfoundationinICdesigncanbelaidforthestudents.

9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著，电子工业出版社，2022年9月.教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版），[美]毕查德·拉扎维（Behzad

Razavi）著，陈贵灿，程军，张瑞智，张鸿译，西安交通大学出版社，2018年12月.2）《CMOS模拟集成电路设计》，[美]PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg著，冯军，等译，电子工业出版社，2005年.3）《AnalogIntegratedCircuitDesign》，DavidA.Johns&KenMartin著,JohnWiley&Sons,Inc.，1997年.4）《AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits》，P.R.Gray,P.J.Hurst,S.H.Lewis,andR.G.Meyer著,JohnWiley&Sons,Inc.，2001年.5）《AnalogDesignEssentials》，WillyM.C.Sansen著，Springer，2011年.二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。通过本课程的学习，使学生熟练掌握典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程；掌握模拟CMOS集成电路的直流/交流/瞬态/噪声等性能的仿真分析方法。结合《集成电路设计实验》和《模拟集成电路版图设计》课程，通过大量实践，使学生初步具备模拟CMOS集成电路的设计和优化、仿真验证、版图实现和测试评价的基本能力。课堂教学中，重点讲解典型模拟CMOS集成电路的工作原理和设计方法，为学生今后从事模拟集成电路设计奠定坚实的理论基础。同时，结合授课教师的科研实践和国内外最新研发动态，引入大量新颖和实用的模拟集成电路实例，以科研促进教学（科研反哺教学），开展探索式和启发式教学，以提高学生对该门课程的学习兴趣，锻炼学生的思维能力和集成电路创新能力。另外，本课程与《集成电路设计实验》和《模拟集成电路版图设计》课程紧密结合，使学生在掌握理论知识的基础上，通过大量的设计实践训练，进一步理解和巩固所学理论知识，从而显著提高学生的集成电路设计能力和创新能力。本课程属于集成电路设计的核心课程，是学生今后从事模拟集成电路、数字集成电路、混合信号集成电路、射频集成电路设计需要具备的最基础理论知识和设计能力。为此，在前8章的基础部分，安排了大部分的课时，使学生能够充分消化和吸收相关的理论基础知识，为后续内容的学习打下扎实的基础。此外，通过大量的课后习题练习以及阅读其它参考文献，拓展学生的知识面，进一步加深对所学知识的理解。三、教学内容及教学要求本课程理论教学56学时，具体安排如下：第1章绪论（4学时）1.1集成电路技术概述1.2模拟集成电路的功能及应用领域1.3模拟集成电路的设计流程1.4SPICE仿真简介基本要求：了解集成电路技术的发展历史和产业链概况；了解模拟集成电路的功能、应用领域和发展趋势；了解模拟集成电路的设计流程；初步了解SPICE仿真的基本概念。第2章CMOS元器件及其模型（8学时）2.1CMOS器件2.1.1物理结构2.1.2电路符号2.1.3版图设计2.1.4工作原理2.1.5大信号模型2.1.6二级效应2.1.7小信号模型2.1.8寄生电容2.1.9闩锁效应2.1.10传输门电路2.1.11短沟道效应2.2双极型晶体管（与CMOS工艺兼容）2.3二极管2.4电阻2.4.1方块电阻2.4.2多晶硅电阻2.4.3阱电阻2.4.4扩散电阻2.4.5金属电阻2.4.6电阻模型2.5电容2.5.1电容的结构2.5.2传统电容2.5.3CMOS电容2.5.4金属-金属电容2.5.5电容模型2.6低压/中压/高压混合电压工艺基本要求：掌握CMOS器件的基本结构、工作原理、电压-电流特性、二级效应、大信号特性、小信号模型、寄生电容等；掌握其它器件（双极型晶体管、二极管、无源电阻、电容）的基本结构、工作原理和特性；了解混合电压工艺的实现方法；了解CMOS器件的闩锁现象及其消除方法。第3章单级放大器（8学时）3.1基本电流镜3.1.1电流镜的结构3.1.2电流镜的误差3.1.3电流镜的小信号等效电路3.2共源极放大器3.2.1电阻负载共源放大器3.2.2二极管负载共源放大器3.2.3电流镜负载共源放大器3.2.4推挽放大器3.3共漏极放大器（源跟随器）3.4共栅极放大器3.5共源共栅电流镜3.5.1普通共源共栅电流镜3.5.2宽摆幅共源共栅电流镜3.5.3共源共栅电流镜的输出电阻3.6共源共栅放大器3.6.1套筒式共源共栅放大器3.6.2折叠式共源共栅放大器3.7放大器的频率特性3.7.1共源放大器3.7.2源极跟随器3.7.3共源共栅放大器基本要求：掌握各种单级放大器的基本电路结构、工作原理（饱和区、线性区、截止区）、大信号特性、直流偏置方法、小信号特性、频率特性；掌握各种单级放大器的性能特点和应用场合；掌握电流镜的结构、工作原理以及大信号和小信号特性；掌握各种单级放大器的设计方法。第4章运算放大器（8学时）4.1差动放大器4.1.1电阻负载差动放大器4.1.2二极管负载差动放大器4.1.3电流源负载差动放大器4.1.4电流镜负载差动放大器4.1.5差动放大器的频率特性4.2运算放大器的构成和实例4.3稳定性和相位补偿4.4运算放大器的性能分析4.4.1直流或低频特性4.4.2高频特性4.4.3瞬态特性4.4.4增益线性度4.5运算放大器的特性解析4.5.1DC特性仿真4.5.2AC特性仿真4.5.3瞬态特性仿真4.6两级运算放大器设计实例基本要求：掌握单极差动放大器的电路结构、工作原理和性能分析方法；掌握各种运算放大器的电路结构、工作原理、直流或低频特性、频率特性和相位补偿方法、性能指标、特性解析和测试方法；掌握普通两级运算放大器的设计方法。第5章高性能运算放大器（6学时）5.1套筒式共源共栅运算放大器（TelescopicCascodeOPAMP）5.2折叠式共源共栅运算放大器（FoldedCascodeOPAMP）5.3高增益运算放大器（Gain-BoostingOPAMP）5.4轨对轨运算放大器（RailtoRailOPAMP）5.5全差动运算放大器（FullyDifferentialOPAMP）5.6微功耗运算放大器5.7输出驱动级（OutputStage）5.7.1输出级电路的类型5.7.2源极跟随器输出级5.7.3甲乙类共源输出级5.7.4低功耗输出级5.7.5运放的输出电阻分析和仿真基本要求：掌握各种高性能运算放大器的电路结构、工作原理和性能特点；熟练掌握典型运算放大器的设计方法。第6章比较器（4学时）6.1比较器的应用6.2比较器的性能参数6.2.1精度（电压分辨率）6.2.2输入失调电压6.2.3传输时延6.2.4比较器的其它性能参数6.3比较器的结构与电路实例6.3.1开环运放构成的比较器6.3.2预放大器+锁存器结构6.3.3反相器型比较器6.4比较器的噪声6.5比较器的失调电压校正6.5.1输入失调存储技术6.5.2输出失调存储技术6.5.3改进的输出失调存储技术6.6迟滞比较器6.6.1外部正反馈迟滞比较器6.6.2内部正反馈迟滞比较器基本要求：了解比较器的性能指标参数和应用场合；掌握比较器的典型电路结构和设计方法；了解如何提高比较器的动作速度和电压分辨率以及如何消除比较器的失调电压；掌握迟滞比较器的工作原理和设计方法。第7章基准电压与电流（4学时）7.1基准电压和电流的应用场合7.2MOS管型基准源7.2.1MOS管型分压电路7.2.2自偏置MOS管型基准源7.3二极管型基准源7.3.1与CMOS工艺兼容的双极型晶体管和等效二极管7.3.2具有负温度系数的基准源7.3.3具有正温度系数的基准源7.3.4带隙基准电压7.3.5高精度电流源7.4基准电压调节电路7.4.1同相输入比例放大器7.4.2电荷泵电路7.4.3线性稳压电源7.4.4开关稳压电源基本要求:了解具有正/负温度系数电压的产生方法；掌握典型的带隙基准电压产生电路的工作原理和设计方法；了解典型电压调节电路（比例放大器、LDO、电荷泵电路、DC-DC开关变换器）的基本结构和工作原理；掌握典型的基准电流产生电路的工作原理和设计方法，掌握运算放大器的偏置电流产生方法。第8章电路噪声（4学时）8.1电路噪声的性质与表征8.2电路的信噪比8.3电路元器件的噪声及其模型8.3.1电阻8.3.2CMOS管8.3.3CMOS开关8.4电路噪声性能分析8.4.1共源放大器8.4.2共栅放大器8.4.3源极跟随器8.4.4共源共栅放大器8.4.5差动放大器8.4.6运算放大器8.4.7电流镜电路8.5低噪声折叠式共源共栅放大器设计实例基本要求：了解噪声的统计特性；熟悉CMOS器件和CMOS开关以及电阻和电容中的噪声来源和特性（模型）；掌握单级放大器（含差动放大器）的噪声特性和分析方法；了解低噪声放大器的设计方法。第9章时钟信号产生电路（4学时）9.1时钟信号的应用场合9.2振荡电路的性能参数9.3电容充放电振荡器9.3.1环型振荡器（RingOscillator）9.3.2RC振荡器9.3.3窗口比较式振荡器9.4锁相环（PLL:PhaseLockedLoop）9.5延迟锁相环（DLL:Delay-LockedLoop）基本要求：掌握典型的、可实现片上集成的低频振荡电路的结构和工作原理以及设计方法；了解锁相环和延迟锁相环的结构和工作原理；掌握时钟信号产生电路的性能指标及其分析方法；了解锁相环和延迟锁相环的发展趋势和最新研发动态。第10章数据转换电路（6学时）10.1ADC的基础知识10.2典型的ADC电路10.2.1并行式ADC（Parallel/FlashADC）10.2.2两步式ADC（Two-stepADC）10.2.3流水线ADC（PipelinedADC）10.2.4逐次逼近型ADC（SAR-ADC）10.2.5积分型ADC（IntegratingADC）10.2.6威尔金森ADC（WilkinsonADC）10.3ADC的性能仿真与测试10.4DAC的基本性能10.5典型的DAC电路10.5.1梯形电阻网络DAC10.5.2二进制加权电阻网络DAC10.5.3R-2R梯形电阻网络DAC10.5.4电流舵方式DAC10.5.5电荷重分配方式DAC基本要求：掌握ADC和DAC的基本性能指标和解析方法；了解各种结构ADC和DAC电路的工作原理及其特点；了解提高各种ADC和DAC性能的方法；了解ADC和DAC的发展趋势和最新研发动态。四、思政育人课程思政育人目标：通过将集成电路的重要性、发展历史、产业链特点和分工以及国内外发展现状和趋势等内容融合在课堂教学中，让学生充分认识到我国目前在集成电路领域与国外的巨大差距以及关键技术受制于人的被动局面，培养学生的家国情怀、全球视野和学习主动性，激励学生将来积极投身于振兴我国集成电路事业中。课程思政示范性教学内容：利用近年美国制裁中兴和华为事件，让学生充分认识到建设我国自主可控集成电路产业链的重要性。另外，通过介绍一些集成电路的典型研发案例和大型跨国企业的成长实例（例如华为手机基带芯片的研发和产业化过程），让学生体会到发展集成电路的艰巨性，同时对我国集成电路产业的未来发展充满期待和憧憬。通过这些教学内容，激发学生奋发图强、不断进取、追求卓越、引领未来的意志和决心，同时引导和培养学生脚踏实地、一丝不苟、精益求精的科学精神。课程思政教学设计：课堂教学中，结合一些典型的集成电路芯片或器件，分析其在整机系统中的重要性，介绍近年我国企业实现国产替代的成功案例以及经验教训，培养学生的创新意识以及严谨科学的专业素养。五、各教学环节学时分配章节章节名称课内讲授学时课外自学学时备注第1章绪论42第2章CMOS元器件及其模型83第3章单级放大器83第4章运算放大器88第5章高性能运算放大器62第6章比较器42第7章基准电压与电流42第8章电路噪声43第9章时钟信号产生电路42第10章数据转换电路63合计5630六、考核方式及要求1、考核内容与形式：考核形式为考试，主要考核学生对模拟集成电路基础知识的掌握程度以及集成电路的设计能力，在课程结束后进行。2、考核资格：学生必须按要求完成教师平时布置的课后作业和练习，才有资格参加考核。学生在上课期间如出现严重违纪现象（参照学校以及学院相关纪律要求），教师可以取消学生参加考核的资格。3、学业规范要求：本门课程要求学生独立完成课后作业和设计实践，严禁考试中的作弊行为，一经发现，课程考试成绩按零分计算。4、各部分考核内容所占比例：平时成绩（含作业、报告、课堂出席情况）占20%，期末笔试